1 布景信息
咱们周围处处都是能量，它们以热、光、电流乃至机 电能的方法存在。不过，人们常常发现，这些动力供给的能 量太少了，无法为任何实践用处接连供给足够的功率。实践 上，直到不久前，除了太阳能和地热能，一向无法从其他形 式的动力中取得足够的能量来履行任何有用的功用。能量收 集是从一种或多种天然存在的动力中搜集微量能量、然后把
图1 LTC3106 选用太阳能电池板或主电池为下流负载接连供电
图2 装备为太阳能搜集器、具主电池备份电源、给无线网络节点供电的 LTC3106
搜集到的能量累积或存储起来以备之后运用的进程。能量收
集设备能够高效搜集、累积、存储、调理和办理环境能量，
并且所用调理方法合适将这类能量用于履行有用的功用。
最近的技能前进前进了从天然环境中取得微量能量并 将其转化成电能的功率。此外，转化器技能的前进不只前进 了电源转化功率，还下降了转化器的内部功耗。这些前进激 发了工程界的爱好，促进他们开宣布更多运用能量搜集技能 的运用。
在长途运用的布置中，从根本上不或许耗尽的天然环 境动力中搜集能量代替有线电源或电池，日益成为一种备受
重视的供电方法。天然动力从实质上来说是免费动力，假如得到恰当运用，不只无需保护，并且在许多运用的生命周期
中一直可用。
别的，能量搜集能够用于辅佐动力以弥补电池等主电 源，然后极大地延伸了电池寿数，下降保护费用。
2 能量搜集运用
现在有许多运用将能量搜集电源作为主电源运用。例如，无线传感器网络 (WSN) 常常获益于能量搜集电源。如
果在一个偏僻地址布置无线节点，有线电源或电池或许不行 牢靠或许不可用，那么就可用搜集的能量供给节点运转所需 功率。在其他一些情况下，多种动力挑选能够前进体系的总 体功率和牢靠性。
一些较常见的可搜集能量包含：
• 机械能 – 来自振荡、机械压力和应变力；
• 热能 – 炉子、加热器、马达和冲突运动等糟蹋的能 量；
• 光能 – 经过光电二极管或太阳能电池从太阳光或室内
照明中取得的能量；
• 电磁能 – 来自电感器、线圈和变压器；
• 天然环境中的能量 – 来自风、水流、洋流、电流和太 阳；
• 人体能量 – 经过运动等发生的机械能和热能；
• 其他能量 – 来自化学和生物源。
需求说到的重要一点是，简直一切这些动力都不受限 制，且实质上是免费的，只需在体系布置方位或体系布置位 置邻近能够取得就行。
典型的能量搜集体系需求比如振荡、热量或光等动力
图3 在可变光照情况下测得的 AM-1816 之 I-V 和 P-V 曲线
图4 图2原理图的运用负载曲线
以及一些要害电子组件，包含：
• 能量转化设备 (换能器)，例如压电组件或太阳能电池 板，可将环境动力转化成电能；
• 能量搜集转化 IC 以取得、存储和办理电能；
• 传感器、微操控器和收发器，作为 WSN 的组成部分 以读取、记载和传送数据；
• 可选的弥补性能量存储设备，例如薄膜型主电池或超 级%&&&&&%器。
很重要的一点是，电源转化设备需求有很高的功率和 很低的静态电流，这样大部分搜集的能量才干用于给传感器 网络或操控电路供电，或许用来监督设备。此外，有必要了解可搜集动力能够供给多大的均匀功率，以及给特定设备供电
需求多少能量 (作业占空比)。
3 能量搜集 IC 解决方案
走运的是，为了处理、存储和运用搜集的能量，凌力 尔特供给了几款能量搜集器材。LTC3106 是其中之一，这 是一款高集成度、超低电压降压-升压型 DC/DC 转化器， 具有为多种输入动力和低功率体系而优化的主动电源通路 (PowerPath) 办理功用。假如主电源不可用， LTC3106 就无 缝地切换到备份电源，且与可再充电电池 或主电池兼容，不管何时，只需有剩下能 量可用，就能够给备份电池涓流充电。如 果运用的输入动力是光源，那么可选最大 功 率 点 控 制 功 能 优 化 电 源 和 负 载 之 间 的 功率传送。在无负载时，LTC3106 仅耗费
1.6μA 电流，并能从任何输入动力发生高 达 5V 的输出电压。图 1 显现了一个典型的 原理图。
LTC3106 选用电源通路 (PowerPath™)操控架构，答应运用单个电感器，经过在 两个电源输入之间无缝转化，发生用户可 选和固定的安稳输出电压。假如输入电源 (VIN) 可用，降压-升压型稳压器就用 VIN 工 作，向负载供给高达 300mA 的电流。假如 VIN 不可用，稳压器挑选 VSTORE/VCAP 作为其 输入，向负载供给高达 50mA 的电流。假如用可再充电电池作为备份电源，那么还供给小电流再充电电源通路，然后答应在 输出电压处于安稳状况时，用剩余的输入能量给备份电源充 电。用户可挑选不同的充电 / 放电门限适用于多种化学组成 的电池，可防止过度充电 / 深度放电保护电池。当主电池用 作备份电源时，充电能够经过PRI从外部制止。
在没有备份电源时，主输入电压 VIN 可装备为在 850mV 至 5.1V 电压规模内作业，有备份电源时 (例如主电池) 则配 置为在 330mV 至 5.1V 规模内作业。这样的规模合适多品种 型的电源，包含高阻抗电源 (例如小型太阳能电池板)。为了 保证取得最大功率，LTC3106 集成了一个精确的 RUN 引脚 和可选最大功率点函数。二者均可用来操控稳压器接通点，
使其坐落输入电源的最大功率点上。关于较高功率的输入电源而言，精确的 RUN 引脚函数十分合适用来将可猜测的稳
压器接通点设定到特定输入电压上。
假如由可搜集能量供给的输入电压消失了，主电池或 辅佐电池可从 VSTORE 衔接至 GND，以给体系供电。假如电 池可再充电，将从这个引脚向电池涓流充电，直至到达最高 可选电压。LTC3106 可由两个输入电压源之一发动，优先挑选 VIN
。开端在同步整流器被制止的情况下对VAUX充电，一旦 VAUX 到达终究电压，输出电压也开端异步充电，直至 VOUT 到达 约 1.2V。然后，转化器退出异步形式，以支撑更高效的同步 发动形式，直至 VOUT 处于安稳状况，器材进入正常作业模 式停止。VAUX 充电时输出电压也会上升。主输出电压是用户 设定的，可设定为 1.8V、2.2V、3.3V 或 5V 恣意一个预置稳 定电压。
4 规划实例
在仅由电池供电的传统型无线网络节点中，主操控单 元 (MCU) 直接衔接到电池。在这类运用中，有几种要素导 致电池容量减小。一般来说，这类无线体系以十分低的频率 轮询节点，闲暇阶段功率十分低，偶然需求与该节点通讯 时，会有一些大电流脉冲。有脉冲负载时，峰值电流或许远 远大于电池制造商给出的标称漏电流，然后使电池容量减小 到在典型静态漏电流情况下所规则的值以下。此外，就大多 数 MCU (典型最小值为 2V) 而言，可用输入电压约束了可用 电池容量。
图2所示运用电路显现了与 AM-1816 太阳能电池板连 接的 LTC3106，其整体尺度为 9.8cm x 5.7cm (胸卡巨细)， CR2032 主电池起弥补效果，该运用电路装备为向脉冲负载 输出供电。虽然能量搜集体系或许无需电池，可是电池能够 起到弥补效果，并且寿数得以延伸。当有足够的环境动力可 用时，就不给电池加载，仅当环境动力不足以带动负载时， 才启用电池。这不只延伸了电池寿数，然后前进了牢靠性， 一起还下降了保护本钱。
LTC3106 的主输入电压 (VIN) 规模很宽，能够满意高阻 抗太阳能电池的各种需求。太阳能电池依照输出功率、所用 资料 (晶体硅、无定形硅、化合物半导体等) 和运用环境 (室 内或室外照明) 进行分类。三洋电机的 Amorton 产品线 (松 下一个子公司的产品) 供给了多种太阳能电池，以满意各种照明条件 (参见表 1，了
解典型照明条件)、功率 巨细以及针对特定运用 的尺度和形状定制电池 的要求。
A M- 1 8 1 6 板 的 I -V和 P-V 曲线如图 3 所示。电池的最大功率 (PMAX) 随光照强弱 而改变，可是 PMAX 点上的电压动摇细微。在这个运用实例 中，VIN 门限电压用 RUN 引脚上的电阻分压器设定为等于 PMAX 点上的电压。输入电压上升的 UVLO 门限 VIN(OV) 设定为
4.2V。因为内部迟滞， VIN(UV) 为 3.8V，从制造商供给的有关 AM-1816 太阳能电池的 I-V 和 P-V 数据看，最大功率点上的 均匀 VIN 电压约为 4V。
就这个运用而言，负载是低功率 RF 设备，其负载曲线 如图 4 所示。作业区、输出和功耗如表2所示，表中还列出 了每个作业状况下的峰值电流。
在上述负载曲线下， LTC3106 总均匀功耗为 37µW，电 阻分压器的功耗为 5µW，总均匀功率为165µW，所以，总的 输入功率需求为 207µW。核算得出的均匀功率 (包含电阻分 压器在内) η = 165µW/207µW = 80%。200 流明时 AM-1816 的 可用功率约为 400µW。在约为 80% 的转化器功率下，它给 总功率需求为 207µW 的负载供电有必定的裕度，无需从电 池罗致电流。假如光照条件变差，那么可用输入功率或许会 降至低于坚持输出电压所需的值。这时，LTC3106 会以“打 嗝”形式作业，在 VIN 升至高于 4.2V 时接通，降至低于 3.8V 时断开。当 VIN 断开时，就用 VSTORE (主电池) 供电，直至 VIN 康复并升至高于 4.2V 门限停止。假如光照条件变得愈加有 利，VIN 会升至能量搜集电源的开路电压，并再次供给一切 负载功率。
5 定论
即便有些能量搜集电源仅能供给很低的可用功率 (如本 文所示胸卡巨细的太阳能电池规划实例)，但它们足以满意 大多数无线传感器的供电需求。LTC3106 降压-升压型 DC/ DC 转化器针对低功率体系中常见的多种输入电源而优化， 为多种能量搜集运用供给必要的功用。因而，比如 WSN 等 能量搜集体系规划师现在有了有用和恰当的电源转化 %&&&&&%， 可极大地简化规划使命了。
